一種利用微藻同步產(chǎn)油、固碳、脫硫、除硝的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及生物能源和環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用微藻同步產(chǎn)油、固 碳、脫硫、除硝的方法，還涉及一種利用微藻同步產(chǎn)油、固碳、脫硫、除硝的裝置。該方法和裝 置利用含有二氧化碳(C0 2)、氮氧化物（主要是一氧化氮N0)和硫氧化物（主要是二氧化硫 S02)的煙道氣培養(yǎng)產(chǎn)油微藻，產(chǎn)油微藻利用煙道氣中的二氧化碳為碳源、氮氧化物為氮源、 硫氧化物為硫源生長繁殖，在細(xì)胞中積累總脂，實(shí)現(xiàn)同步產(chǎn)油、固碳、脫硫和除硝。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的能源主要依靠傳統(tǒng)化石能源，這些化石能源不但不可再 生，其燃燒會(huì)釋放大量溫室氣體和大氣污染物。作為第三代生物質(zhì)能源的典型代表，微藻生 物柴油是最有潛力代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料解決交通運(yùn)輸燃油問題的可再生生物能源(Chisti， Y.2008.Trends in Biotechnology,26,126-131)。目前，產(chǎn)油微藻培養(yǎng)成本居高不下，是制 約微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化的重要因素 （Harun et al · ,2011 .Biomass&Bioenergy,35,741-747；Sheng et al.,2011.Bioresource Technology,102,11218-11225)〇
[0003] 微藻干重的50%左右是由碳元素組成的，微藻培養(yǎng)的碳源成本占原料成本的60% 以上。利用煙道氣中的co2為碳源培養(yǎng)產(chǎn)油微藻，已經(jīng)成為微藻生物柴油研發(fā)的重要指導(dǎo)思 想之一（Kumar et al ·，20 10 · Trends Bi〇techno 1，28，37 1-380 ; Yen et al ·， 2015 · Biotechnology Journal，10，829-839;梅洪等，2008 ·武漢植物學(xué)研究，26,650-660)。 燃煤和燃油煙道氣中除了含有約10~15% (v/v)的C〇2外，還含有0.01~0.03%S0x(以S〇2為 主）和0.01~0·05%Ν0χ(以N0為主）等大氣污染物（Van Den Hende et al·， 2012. Biotechnology Advances ,30,1405-1424)。盡管微藻培養(yǎng)系統(tǒng)具有吸收和轉(zhuǎn)化CO2、 SO2和NO的途徑（Liang et al. , 2014. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 32，1288-1296;Van Den Hende et al.，2012.Biotechnol Adv,30,1405-1424)，但眾多研 究表明，煙道氣中的S〇2和NO會(huì)抑制微藻的生長（Lara-Gil et al .,2014. Journal of Applied Phycology,26,357-368；Lee et al.,2002.Bioresource Technology,82,1-4； Negoro et al .,1991 .Applied Biochemistry and Biotechnology,28-29,877-886)，原因 在于煙道氣溶解于水溶液中易導(dǎo)致基質(zhì)酸化和HS03VS0 321 只累（Jiang et al.， 2013. Bioresource Technology,128,359-64；Van Den Hende et a 1., 2012.Biotechnology Advances,30,1405-1424)。一般認(rèn)為，微藻只能利用無硫無氮或脫硫 除硝的煙道氣進(jìn)行生長（Praveenkumar et al.，2014.Bioresource Technology, 171,500-505;Zhu et al.，2014.Bioresource Technology，174,53-59)，或者在低濃度的SO2和NO (<0·01%，v/v)條件下生長（Jiang et al.，2013.Bioresource Technology, 128,359-64; Kao et al.,2014.Bioresource Technology,166,485-493；Praveenkumar et al., 2014. Bioprocess and Biosystems Engineering,37,2083-2094)。煙道氣經(jīng)過物理和化學(xué) 脫硫除硝后再用于產(chǎn)油微藻培養(yǎng)，是工業(yè)廢氣脫硫除硝排放的老路，不能充分實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢 氣培養(yǎng)產(chǎn)油微藻的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。如果直接利用煙道氣培養(yǎng)產(chǎn)油微藻，不僅能降低 微藻生物柴油的原料成本，還能減少溫室氣體和污染氣體的排放，克服工業(yè)廢氣脫硫、除硝 (物理、化學(xué)方法)設(shè)備投資和運(yùn)行成本高，且產(chǎn)生次生污染物的缺點(diǎn)，發(fā)揮微藻生物柴油的 環(huán)境效益，對(duì)于推動(dòng)微藻生物柴油產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要意義，但目前尚未見利用微藻同步 產(chǎn)油、固碳、脫硫、除硝的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種利用微藻同步產(chǎn)油、固碳、脫 硫、除硝的方法，該方法直接利用煙道氣培養(yǎng)產(chǎn)油微藻，在獲得微藻油脂(微藻生物柴油的 原料）的同時(shí)實(shí)現(xiàn)煙道氣c〇 2的生物固定、硫氧化物(主要是二氧化硫s〇2)和氮氧化物(主要 是一氧化氣N0)脫除。
[0005] 本發(fā)明還提供了一種利用微藻同步產(chǎn)油、固碳、脫硫、除硝的裝置，該裝置結(jié)構(gòu)合 理，自動(dòng)控制煙道氣的通入和關(guān)閉，對(duì)煙道氣中C〇2、S0#PN0的去除效率高。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] 一種利用微藻同步產(chǎn)油、固碳、脫硫、除硝的方法，包括如下步驟：
[0008] 1.1微藻藻種的選擇：
[0009] 選擇的微藻是在營養(yǎng)脅迫條件下可以大量積累油脂的產(chǎn)油微藻，且總脂含量不低 于微藻干重的30 % ;
[0010] 1.2配制微藻培養(yǎng)基：
[0011] 配制適合微藻生長所需的培養(yǎng)基，該培養(yǎng)基中各成分的濃度如下：
[0012] 硝酸鈉50-300mg L-1水，三水合磷酸氫二鉀50-75mg L-1水，檸檬酸鐵6mg L-1水，檸 檬酸6mg L-1水，乙二胺四乙酸二鈉 lmg L-1水，七水合硫酸鎂50mg L-1水，二水合氯化|丐36mg L一1水，三氧化鉬0.0129mg L-1水，六水合氯化鈷0.0404mg L-1水，七水合氯化鋅0.1043mg L一1 水，四水合氯化錳1.8mg L-1水，硼酸2.86mg L-1水，五水合氯化銅0.0546mg L-1水；
[0013] 1.3光生物反應(yīng)器的消毒：
[0014] 將光生物反應(yīng)器裝滿質(zhì)量百分比濃度為0.15%的雙氧水溶液，消毒過夜，再用無 菌水將光生物反應(yīng)器內(nèi)壁沖洗干凈；
[0015] 1.4微藻的接種：
[0016] 將處于對(duì)數(shù)生長期的微藻藻種離心收集，接種至培養(yǎng)基中，使微藻的接種濃度為 0.05-0.5g L-S
[0017] 1.5微藻的培養(yǎng)：
[0018] 1.5.1、培養(yǎng)條件的控制：
[0019] 連續(xù)光照，第一天光照強(qiáng)度為50-100ym〇l m-2s -S之后的光照強(qiáng)度為200-2000μ mol mb1，培養(yǎng)基的溫度為15-35°C，培養(yǎng)基的pH值為7.0-8.0，連續(xù)向光生物反應(yīng)器底部 的氣體分散器通入過濾除菌的空氣或模擬煙道氣，空氣和模擬煙道氣通過氣流切換器進(jìn)行 切換，空氣或模擬煙道氣經(jīng)氣體分散器形成細(xì)小的氣泡，氣泡在上升過程中對(duì)培養(yǎng)基進(jìn)行 攪拌；
[0020] 1 · 5 · 2培養(yǎng)基pH和煙道氣通入的控制：
[0021]設(shè)置pH在線控制器的pH值范圍為7.0-8.0,利用pH傳感器檢測(cè)培養(yǎng)基的pH，pH傳感 器將檢測(cè)的pH值反饋給pH在線控制器，當(dāng)pH傳感器檢測(cè)的pH值達(dá)到8.0時(shí)，pH在線控制器控 制氣流切換器與煙道氣通氣管連通，同時(shí)與空氣管道阻隔，模擬煙道氣通過煙道氣通氣管 通入光生物反應(yīng)器底部的氣體分散器中，模擬煙道氣經(jīng)氣體分散器形成細(xì)小的氣泡，在氣 泡上升的過程中，模擬煙道氣中的二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物被微藻吸收，微藻吸收二 氧化碳、硫氧化物和氮氧化物后，培養(yǎng)基的pH逐步降低，當(dāng)pH傳感器檢測(cè)到培養(yǎng)基的pH下降 至7.0時(shí)，pH在線控制器控制氣流切換器與煙道氣通氣管阻隔，同時(shí)與空氣管道連通，停止 向培養(yǎng)基中通入模擬煙道氣，停止通入模擬煙道氣后，培養(yǎng)基的pH又開始上升，當(dāng)pH傳感器 檢測(cè)到培養(yǎng)基的pH又上升到8.0時(shí)，pH在線控制器再次控制氣流切換器與煙道氣通氣管連 通，同時(shí)與空氣管道阻隔，向光生物反應(yīng)器底部的氣體分散器中再次通入煙道氣，如此循環(huán) 反復(fù)，間斷地向生物反應(yīng)器底部的氣體分散器中通入模擬煙道氣；
[0022] 1.6微藻的收獲：
[0023]培養(yǎng)5-10天后，培養(yǎng)結(jié)束，將含微藻的培養(yǎng)基收集于離心瓶，離心收集藻細(xì)胞，冷 凍干燥備用。
[0024]所述的微藻為蛋白核小球藻。
[0025]硝酸鈉的初始濃度為O.lg L-1水。
[0026]微藻的接種濃度為O.lg L一、
[0027] -種利用微藻同步產(chǎn)油、固碳、脫硫、除硝的裝置，包括光生物反應(yīng)器、光照系統(tǒng)、 溫控系統(tǒng)、pH和煙道氣控制系統(tǒng)、交流電源、電源總開關(guān)，交流電源和電源總開關(guān)電氣連接， 光照系統(tǒng)包括冷白螢光燈和燈控開關(guān)，冷白螢光燈有偶數(shù)個(gè)，偶數(shù)個(gè)冷白螢光燈對(duì)稱地設(shè) 置于光生物反應(yīng)器的兩側(cè)，各冷白螢光燈均通過燈控開關(guān)與交流電源電氣連接，溫控系統(tǒng) 包括熱交換管、恒溫水浴箱，熱交換管位于光生物反應(yīng)器內(nèi)，恒溫水浴箱上設(shè)有進(jìn)水管和出 水管，熱交換管的一端與進(jìn)水管連通，另一端與出水管連通，pH和煙道氣控制系統(tǒng)包括pH在 線控制器、pH傳感器、空氣栗、模擬煙道氣氣源、煙道氣通氣管、氣流切換器、煙道氣流量計(jì)、 空氣流量計(jì)、空氣管道和氣體分散器，pH傳感器安裝于光生物反應(yīng)器內(nèi)，pH傳感器與pH在線 控制器電氣連接，pH在線控制器與交流電源電氣連接，氣體分散器安裝于光生物反應(yīng)器的 底部上，模擬煙道氣氣源通過煙道氣通氣管與氣體分散器連通，空氣栗通過空氣管道與氣 體分散器連通，氣流切換器安裝于煙道氣通氣管和空氣管道上，氣流切換器與pH在線控制 器電氣連接，煙道氣流量計(jì)安裝在煙道氣通氣管上，空氣流量計(jì)安裝在空氣管道上。
[0028] 還包括取樣系統(tǒng)，取樣系統(tǒng)包括液體取樣管、煙道氣取樣管和排氣管，排氣管和液 體取樣管均安裝于光生物反應(yīng)器上，液體取樣管的一端位于光生物反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基的液 面以下，另一端位于光生物反應(yīng)器外，排氣管的一端位于光生物反應(yīng)器內(nèi)的培養(yǎng)基的液面 以上，另一端位于光生物反應(yīng)器外，排氣管上安裝有排氣流量